生活在几乎缺氧的海洋部分中的某些微生物如何繁衍生息。这些区域被称为海洋缺氧区(ODZ)，它们夹在富氧表面和深层之间。在发表在《PNAS》杂志上的研究中，他们报道了墨西哥沿海热带太平洋的ODZ是微生物的家园，这些微生物使用一种已知对人体呼吸有害的化合物：砷。

基于砷的呼吸：地球早期的残留物

长期以来，科学家已经确定海洋中砷含量低。早在生命刚刚开始时，据说地球在空气和海洋中都含有很少的氧气。在植物变得丰富并开始将二氧化碳转化为氧气之前，这一过程称为光合作用。不同的生命形式依赖其他元素来获取能量。这些元素充当电子受体，可以从食物中提取能量。古代生物最常用的氧气替代品是氧化的氮，硫和砷。

砷是许多矿物质中发现的元素，并且以无机形式对人类具有剧毒。这种半金属自然存在于地壳，空气和水体中。在缺氧时期，据说海洋中砷含量高。即使到了今天，某些国家的地下水仍然被无机砷污染。(相关：污水中的砷增加了H1N1流感的易感性。)一些海洋微生物配备了使它们能够使用砷等含砷化合物“呼吸”的基因。砷酸盐是天然存在的，通常与铁矿物质一起有毒，并在水中保持完整。当存在被砷酸盐污染的环境中的微生物用尽氧气时，它们就会激活一种机制，将其转变为可吸入砷酸盐的生物。这种无氧呼吸方式使他们能够将砷酸盐转化为亚砷酸盐，这是一种毒性更大，水溶性更好的无机砷形式。这些微生物通常通过此过程释放出污染砷的饮用水。

尽管砷含量很低，但上呼吸道ODZs中仍会滋生呼吸砷的微生物

根据研究人员的说法，在许多现代缺氧海洋系统中，砷的浓度相对于亚砷酸盐更高。但是，这种砷的热力学不平衡的原因尚不清楚。研究人员没有期望在海洋ODZ中找到砷代谢的证据，这表明砷物种的微生物生物转化可能是不平衡的原因。

在2012年的一次研究航行中，研究人员从东部热带北部和南部太平洋ODZ收集了海水样本，并提取了DNA样本用于遗传分析。他们确定了编码两种微生物酶的两个亚基的基因，即呼吸亚砷酸氧化酶AioA和异化砷酸还原酶ArrA。这些酶使微生物能够利用砷来获取能量，并且类似于依赖硫而不是氧气进行呼吸的微生物所使用的酶。

研究人员写道：“砷呼吸基因在ETNP和东部热带南太平洋(ETSP)ODZ的转录组文库中表达，表明砷营养是在缺氧海水柱中积极利用的代谢途径。”

他们还认为，基于砷的代谢在海洋环境中起着重要作用，因为它们支持有机物质的产生并影响现代海洋中氮的生物地球化学循环。这进一步表明砷的呼吸途径在环境中可能比以前认为的更为普遍。